Análisis experimental de los mecanismos de mejora termohidráulica en reactores de flujo oscilatorio

Resumen

En este trabajo se realiza un estudio detallado de las características termohidráulicas de los reactores de flujo oscilatorio. Estos dispositivos consisten en un equipo tubular de operación continua en el que se inserta una geometría para promocionar el mezclado y, a su vez, se superpone un flujo oscilatorio. La geometrías insertadas estudiadas han sido los deflectores de un solo orificio y los deflectores de tres orificios. La interacción de la geometría insertada y del caudal oscilatorio permite promover la transferencia de calor junto con el mezclado radial, de forma que es posible trabajar con bajos caudales netos (para los que correspondería un flujo laminar) y, a la vez, obtener coeficientes de transferencia de calor e intensidades de mezclado propias de un flujo turbulento. Como principal aplicación de estos dispositivos destacan las reacciones químicas con un alto tiempo de residencia, que imponen trabajar con bajos caudales netos si se quiere obtener un tamaño razonable del equipo. La metodología empleada a lo largo de la Tesis ha sido fundamentalmente experimental. Uno de las mayores complejidades de estos dispositivos es la naturaleza oscilatoria del flujo, lo que ha llevado a desarrollar una metodología específica para esta aplicación, tanto para la visualización de los patrones de flujo como para cuantificar la disipación de potencia. Los patrones de flujo se han analizado mediante dos técnicas complementarias: la visualización mediante burbujas de hidrógeno y la Velocimetría por Imágenes de Partículas. Los ensayos han permitido observar el comportamiento del flujo en varias condiciones de operación con flujo neto, oscilatorio o ambos superpuestos. El consumo de potencia asociado al flujo neto se ha caracterizado mediante el factor de fricción de Fanning, medido para un amplio rango de números de Reynolds neto, observándose las regiones de flujo laminar, de transición y turbulento. En cuanto al consumo de potencia asociado al flujo oscilatorio, se ha analizado un amplio rango de números de Reynolds oscilatorio y de amplitudes de oscilación, proporcionando por primera vez resultados experimentales adimensionalizados. Para ello, se han definido el factor de fricción de Fanning oscilatorio y el número de Potencia. La transferencia de calor se ha estudiado para un amplio rango de números de Reynolds neto, números de Reynolds oscilatorio y números de Prandtl; proporcionándose correlaciones del número de Nusselt en función de dichos números adimensionales. También se estudian otros aspectos de la transferencia de calor como son la estratificación o el número de Nusselt local. Por último, se ha desarrollado un modelo numérico para evaluar la caída de presión en régimen laminar, tanto en condiiciones de flujo neto como oscilatorio. Este modelo ha sido validado con los resultados experimentales y ha permitido estudiar en mayor detalle otros conceptos como son la periodicidad espacial y temporal. Toda esta información ha permitido ampliar el conocimiento acerca de ciertos aspectos de los reactores de flujo oscilatorio no abarcados por la bibliografía especializada, lo que en un futuro permitirá un diseño más preciso de estos dispositivos. http://repositorio.bib.upct.es/dspace/